不知道大家有沒有想過，地球上復雜生命到底是如何進化的？

在以前，其實生物學家普遍認為，生命從簡單到復雜是理所當然，是必然發(fā)生的，但實際上，地球生命經(jīng)歷了非常漫長的簡單生命階段——大約占了地球年齡的一半以上。

另一方面，現(xiàn)在地球上的簡單生命和復雜生命形式存在巨大的鴻溝，完全不存在“中間體”，這不像是一種循序漸進地從簡單到復雜的轉化。

如果生命從簡單到復雜是一個循序漸進的過程，那么我們現(xiàn)在地球上依然會生活著許多那些跨越鴻溝的生命形式。

所以，地球生命從簡單到復雜應該是一次次質的飛躍造就的，從簡單到復雜，

我們現(xiàn)在可以知道，這次飛躍的本質就是生命找到了線粒體，它讓簡單的原核細胞變成了更復雜真核細胞，進而才有了復雜的生命體。

圖：線粒體示意圖

一旦細胞有了線粒體，它們就可以克服阻止細菌、古細菌等原核生物長大的基本障礙——一個關于能量使用的障礙。

細胞的通用能量貨幣——ATP是在細胞膜上制造的，隨著細胞變大，它的表面積與體積之比下降，從而可用的膜相對就減少。

換句話說，隨著原核細胞變得越來越大，它們的能量需求很快就會超過供應，從而無法自我維持。

而具有線粒體的真核細胞可以通過添加更多線粒體來克服這個問題，而且非常容易做到，因為線粒體本身具有復制自己的能力。

現(xiàn)在地球所有復雜生命都來自一個共同祖先——一個獲得線粒體的原核細胞。

因為它有了線粒體的加持，進化上可以隨意自由發(fā)揮，它們可以積累更大、更復雜的基因組，從而讓復雜生命成為可能。

圖：現(xiàn)在的葉綠體和光合作用藍細菌結構基本一樣

地球生命歷史上還有一次質的飛躍，就是生命在大約10億年前獲得了葉綠體，真核細胞的這次改變?yōu)橹笾参锏恼Q生奠定了基礎。

關于地球生物如何獲得線粒體和葉綠體，有幾個不同的假說，但就目前來看，最被認可的是內(nèi)共生假說。

該假說認為真核細胞通過吞噬那些擁有特殊能力的細菌，這些細菌在真核細胞的體內(nèi)，與真核細胞互利互惠的共生。

但是隨著時間推移，共生關系越來越緊密，以至于那些細菌完全轉化成了真核細胞的一部分——被稱為細胞器，執(zhí)行細胞的特定功能。

除了線粒體和葉綠體之外，目前已知生物通過這種（真核生物吞噬細菌）方式得到細胞器的例子還有一個，被稱為色素體。

這個例子相對來說有點鮮為人知，但正是因為它的存在，才讓魷魚和章魚等頭足類動物變色成為可能。

然而，無論是線粒體、葉綠體，還是色素體，它們都已經(jīng)被判定為是細胞器，而不是單獨的細菌。

最近，分別發(fā)表在《細胞》和《科學》雜志上的兩篇開創(chuàng)性文章揭示了一種正在誕生的、由真核細胞吞噬原核細菌內(nèi)共生產(chǎn)生的細胞器，這可能是地球生命史已知的第四次。

這個 細胞器現(xiàn)在被命名硝基體（nitroplast），他讓真核生物擁有固氮的能力——將大氣中的氮氣分子轉化成生命活動所需的含氮化合物。

在發(fā)現(xiàn)硝基體之前，真核生物被認為是沒有固氮能力的，所以我們的糧食作物要增產(chǎn)的話，施加氮肥是必不可少的。

你可能會說，大豆這種植物不就有固氮能力嗎？

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圖：大豆的根部

它們其實并不是自己在固氮，而是通過與細菌共生實現(xiàn)的，你如果看過大豆的根，你就會知道，大豆的根部有一塊一塊的瘤狀組織，這就是與大豆共生的固氮細菌——根瘤菌造成的。

地球生命找到固氮方式比我們想象得要早得多——固氮細菌甚至可能比最早光合作用的細菌還要早出現(xiàn)，據(jù)信氮酶至少在22億到15億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。

雖然細菌很早就學會固氮，但是真核生物從來沒有得到這種能力，在硝基體之前，生物學家認為所有固氮的真核生物都是因為共生。

在這兩篇文章發(fā)布之前，科學家同樣也覺得“硝基體”只是一種藻類內(nèi)共生的細菌。

黑色標記的那個就是硝基體，圖源：Tyler Coale

硝基體來自什么細菌？

1998年，加州大學圣克魯斯分校教授喬納森·澤爾 (Jonathan Zehr) 領導的團隊在太平洋中發(fā)現(xiàn)了一種具有固氮能力的藍細菌新物種。

該團隊將這個新的固氮藍細菌命名為UCYN-A，這個就是硝基體的前身了，或者“野生模式”了。

幾乎與發(fā)現(xiàn)UCYN-A差不多時間，日本高知大學的古生物學家萩野恭子在實驗室中開始積極嘗試培養(yǎng)一種具有固氮能力的藻類——這個藻類被稱為raarudosphaera bigelowii，最后證明它是 UCYN-A 的宿主生物。

經(jīng)過十多年的努力，萩野恭子成功在實驗室中培養(yǎng)出這種包含UCYN-A的藻類，這為之后研究兩者超凡的共生關系提供了幫助。

伴隨宿主細胞分裂而分裂的硝基體，圖源：Valentina Loconte

憑什么UCYN-A已是細胞器？

細胞器也是有定義的，它至少需要符合兩個標準：必須通過細胞分裂遺傳和依賴宿主細胞提供的蛋白質。

發(fā)表在《細胞》上的文章揭示，UCYN-A和它的宿主藻類細胞生長是同步的，并受到營養(yǎng)物質交換的控制，這個非常符合細胞器的標準。

發(fā)表在《科學》上的文章則揭示，UCYN-A從宿主藻類細胞那里獲取蛋白質，這表明UCYN-A已經(jīng)放棄了一些自有的細胞機制，轉而依賴宿主發(fā)揮作用。

這個就符合第二個標準，因為細菌開始丟棄自己的DNA，轉向依賴母細胞，就是細胞器發(fā)生的情況。

所有這些發(fā)現(xiàn)證實了UCYN-A在raarudosphaera bigelowii已經(jīng)變成了一個細胞器（硝基體），而不是一個獨立的細菌。

圖：古細菌

最后

相較于線粒體、葉綠體數(shù)十億年的存在時間，硝基體是一個非?！澳贻p”的細胞器，它可能是最近1億年內(nèi)才開始在真核細胞內(nèi)逐漸演化。

目前沒人知道硝基體會不會像線粒體、葉綠體，以及色素體那樣深刻影響地球生命演化，但有一點是明確的，硝基體肯定不會是最后一個。

在它之后和在它之前肯定還有很多細菌正在或者已經(jīng)被真核細胞轉化——有些可能甚至比線粒體還久遠，只是它們的影響力不大，沒有被人發(fā)現(xiàn)而已。

報道原文：https://www.iflscience.com/the-once-in-an-eon-event-that-gave-earth-plants-has-happened-again-73878

文獻：

1.https://doi.org/10.1126/science.adk1075

2.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016